유압과 휴먼 인터페이스

1. 기술의 개요

 

□ 국제 경쟁력을 강화하고 국내외시장에서 기업이 지속적으로 성장발전 을 이룩하기 위해서는 고부가가치 제품의 개발 생산과 제품의 고품질 화 및 생산코스트의 절감 등이 주요 현안과제로 클로즈업된다.

 

□ 이와 같은 제조기술의 개발과 생산혁신활동을 이룩하는데 있어서 생산 현장에 대한 자동화 및 성력화 기반의 구축이 대단히 중요하며 이에 따라 유․공압기술과 이와 연계된 제어용 마이크로컴퓨터 및 전자기술 에 의한 공장자동화 설비기술이 빠른 속도로 보급 확산되고 있다.

 

□ 유․공압기술은 인간생활과 밀접한 관계에 놓여있는 기술로서 모든 산 업의 광범위한 장소에 활용되고 있으며, 고령화, 복지사회의 도래에 따 라 휴먼 인터페이스의 측면에서 볼 때 고부가가치를 갖는 제품의 개발 이용에 대한 필요성이 증대되고 있다.

 

□ 이와 같은 국내외적 자동화 및 성력화 기술의 발전 추이를 감안하여 유압과 휴먼 인터페이스 기술에 대하여 정리하였다.

 

2. 병렬형 압력센서 디스플레이를 이용한 마스터 슬레이브 제어

 

□ 최근 제조현장의 자동화에 있어서는 생산의 합리화 및 효율화가 많은 발전을 이룩하였으나 연마, 도장, 검사 등 작업자의 고도한 숙련과 경 험이 필요한 생산 공정에 있어 자동화 추진이 어려운 경우가 있다.

 

□ 또한 이와 같은 생산 공정은 분진, 고온, 다습 등 열악한 환경의 생산 현장이 많은 실정으로, 이에 대한 해결책으로는 작업자를 생산현장에서 격리시키도록 하는 원격조작기술을 도입 운영하는 방법이 필요하며, 다음과 같이 “마스터 슬레이브 시스템(Master Slave System)"을 이용한 기초적 원격조작 제어기술의 적용성을 평가 검토하였다.

 

○ 1축 유압 액추에이터(actuator)를 이용한 압력센서 디스플레이의 휴먼 인터페이스(조작성)에 대한 기초적 실험 평가 검토 작업 실시.

 

○ 유연성(flexibility)과 안전성이 우수한 1축 공기압 액추에이터에 관하 여 6축 병렬 메커니즘을 이용한 동력전달장치를 구축하여 휴먼 인터 페이스 면에서 평가 검토 실시.

 

○ 이상의 검토에서 사용하는 실험장치의 구성은 공기압을 동력원으로 하는 마스터 매니퓰레이터(Master manipulator)와 유압을 동력원으로 사용하는 슬레이브 매니퓰레이터(Slave manipulator), 그리고 이것을 동시에 구동 제어할 수 있는 퍼스널 컴퓨터(Personal Computer)로 구성된다.

 

○ 또한 공압과 유압 병렬형 압력센서 디스플레이 기구는 가동범위가 약간 협소한 경우, 정밀한 메커니즘에 의해서 높은 정도와 강성을 실 현할 수 있는 기구로서 이와 같은 압력센서 디스플레이에는 엔드 액 추에이터와 베드의 사이를 볼 조인트로 연결한 6개의 공압 또는 유 압 실린더로 구성되어 있다.

 

○ 각 실린더의 변위는 실린더에 부착된 포텐셜 미터(Potential meter)에 의해 실린더 로드 선단까지의 길이를 측정할 수 있으며, 공압 및 유 압기구의 접속부분에는 6축의 압력센서를 부착시켜 조작자가 공압 및 유압기구의 접속부에서 가하는 6방향의 힘을 검출할 수 있게 된다.

 

○ 압력센서 디스플레이에서 요구되는 첫 번째의 특성은 조작자의 힘에 의해서 하중을 감지하는 디스플레이를 자유로 조작할 수 있게 되나 유압 서보 시스템에서 조작자가 힘에 의해 실린더를 구동하는 것은 곤란하며 압력센서에서 검출된 신호에 의하여 실린더를 구동한다.

 

○ 이상에서 설명한 시스템을 이용하여 기존의 역귀환형(力歸還型), 병렬형, 역대칭형(力對稱形) 제어방식 중에서 역대칭형이 가장 우수한 성능을 갖고 있는 것으로 확인되고 있다.

 

○ 또한 압력센서 디스플레이에 있어서 각 실린더의 동특성이 다르면, 동작속도가 동일하지 않거나 제어면을 중립점으로 이송시키는 유압 피스톤의 위치가 고정되지 않는 경우에 충분한 조작감각을 얻지 못 하는 문제가 있으며 이에 대한 문제 해결을 위하여 유압 대칭형 매 니퓰레이터(manipulator)로 제어계를 구성하고 있다.

 

3. 원격 조작에 의해 임시작업장 상황을 제시하는 건설 로 봇의 휴먼 인터페이스

 

□ 원격 조작에 의해 임시작업장 상황을 제시하는 건설로봇의 연구를 통 하여 원격 조작 시스템을 대상으로 한 시각반응기술을 이용하여 휴먼 인터페이스의 개선을 이룩하였는데 다음과 같은 테마를 중심으로 평가 검토를 진행하였다.

 

○ 작업현장의 상황을 효과적으로 오퍼레이터에게 전달하기 위한 시각 제시법에 관한 검토

 

○ 작업대상물의 굳음이나 작업상황을 효과적으로 오퍼레이터에게 전달 하기 위한 마스터 슬레이브 제어 검토

 

○ 유압 요동장치를 이용하여 오퍼레이터에게 파워쇼벨의 기울기나 진 동상태와 같은 운동을 체감에 의해 전달하기 위한 검토

 

○ 이상과 같은 연구 테마에 대하여 원격 조작 건설로봇의 시각제시기 능 개선에 관하여 검토한 결과는 다음과 같다.

 

- 건설로봇의 미니쇼벨에 스테레오 CCD카메라, 마이크로폰 등을 부착 하여 원격 조작이 될 수 있도록 개조함으로써 모든 유압 액추에이터 (축압기)와 조절장치측 컴퓨터에 의한 제어를 할 수 있게 된다.

 

- 오퍼레이터는 스테레오 시력 카메라로부터 입력된 화상, 힘의 전달 가이드 백, 음향 피드백 같은 것이 있는 임시작업장 조절기에 의해,2개의 조이스틱(joystick)을 사용하여 건설로봇을 조작한다.

 

- 조이스틱의 조작정보는 컴퓨터(PC)에 입력되어, PC와 PC의 지령신 호에 응답하는 종속밸브의 조작신호를 계산하여 이것을 건설로봇의 서보 앰프(Servo Amp)에 출력한다. 또한 오퍼레이터의 의자는 유압 3축 요동장치에 의해서 건설로봇의 움직임에 따라 요동하게 된다.

 

- 이렇게 함으로써 오퍼레이터는 로봇의 움직임을 리얼하게 체감할 수 있게 되며, 이러한 시스템은 스테레오 카메라에 의해 영상을 오퍼레 이터에게 제시하지 않는다면 작업현장의 상황을 항상 1방향에서 밖 에 볼 수가 없다. 또한 액정 셔터 안경을 이용하여 영상을 볼 때 작 업자의 눈의 피로가 커지는 결점이 있다.

 

○ 이에 따라 Color DIGICLOPS(stereo vision camera의 일종)를 사용하 여 대상물을 CG(Computer Graphic)에 입력시킴으로써 CG를 이용 작업현장을 나타내는 시스템을 구축할 수 있다.

 

○ 이 방법에 의한 시스템의 경우에도 가상공간 제시용 컴퓨터 PC2는 LAN 회선을 통하여 받은 조이스틱으로부터의 조작정보에 따라 가상 공간상의 건설로봇을 인식하고 이러한 비디오 신호를 프로젝터에 보 내어 스크린에 투영한다. 그러면 작업 대상물의 위치, 형상, 색상 정 보는 Color DIGICLOPS에 입력되어 PC에 의해서 건설로봇의 CG와 합성되어 나타난다.

 

4. 휠체어 체험 시뮬레이터의 개발

 

□ 최근 고령자 및 신체장애자 등이 공공교통기관을 이용한 이용 편리성 에 따라 안전성 향상이 급선무가 되었으며 특히 선박의 경우, 고령자나 신체장애자에게도 육상에서의 탑승물에 비하여 외적, 내적 스트레스가 높아지게 된다.

 

□ 아직까지 선박의 흔들림과 해수면으로부터 진동 해소의 어려움 등 여 객선 특유의 기술과제에 대하여 공학적인 데이터를 반영한 기술 기준 이 정비되어 있지 않다.

 

□ 이에 따라 “휠체어(wheelchair) 체험 시뮬레이터의 개발” 연구를 위하여 수동 휠체어용 시뮬레이터에 있어서 공간 내에 휠체어의 운동을 정 의하는 핸드 림 조작에 의한 이동 및 선회를 행하여 이에 의한 휠체어 의 위치 및 자세가 유압 6축 요동장치에 의하여 컴퓨터에 제시되는 시 스템을 구축하였다.

 

○ 이와 같은 문제점의 해소를 위해서 구축한 “휠체어 시뮬레이터”는 가상공간을 나타내는 부분과 요동감각을 나타내는 부분으로 구성되 어 있다. 가상공간 제시부는 가상공간 제시용 컴퓨터(PC1)와 요동장 치 위에 설치된 휠체어와 휠체어의 구동륜에 부착된 로터리 인코더, 두부탑재형 디스플레이(HMD)에 의한 3자유도 각도센서로서 구성된 이동감각 제시부, 6축 요동장치와 제어용 컴퓨터(PC2)로 구성되어 있 다.

 

○ 시스템의 중심으로서 가상공간 제시부에서는 로터리 인코더에 의한 휠체어의 구동륜 회전량을 계측하여, 이것을 기반으로 PC1에 차체의 이동속도에 따른 선회속도를 구한다.

 

○ 이와 같이 산출된 차체 속도에 의해서 가상공간에서 일어나는 휠체 어의 위치 및 자세의 계산을 행하여, CG화상을 HMD에 출력하면 HMD에는 각도센서가 비치됨에 의하여 시점(視點)변경을 일으킬 수 있다,

 

○ 이와 같이 휠체어의 자세 데이터를 PC1으로부터 LAN 케이블에 전 달, PC2에 송신하고, PC2에서는 수신데이터를 이용한 요동장치(병렬 형 6축 이동장치)의 6개 유압실린더를 서보 솔레노이드(Servo Solenoid) 밸브에 의해서 구동시킴으로서 조작자에게 자세정보를 전 달한다.

 

○ 위와 같은 시스템에 따라, 본 시뮬레이터는 휠체어에 의한 이동을 체 험하는 일을 할 수 있는데, 피 실험자들에 의하면 배의 선가를 CG화 상에서 보는 경우 휠체어의 조작이 불안정화 되는 것을 확인할 수 있다.

 

○ 한편, 요동장치를 사용하여 피 체험자에게 휠체어의 위치, 자세를 전달하는 일에서 요람정보가 없는 경우보다 피 체험자의 반응 속도가 향상되는 경우, 이에 따른 오조작으로 벽면충돌횟수가 경감되는 것이 확인되었으며, 현재, 보다 양호한 가상공간의 제시법을 검토하기 위 해 핸드 림 조작에 의한 가상 피드백 기능을 추가적으로 설정 검토 중에 있다.

 

5. 결론

 

□ 유․공압 기술은 인간 생활과 밀접한 관계에 놓여있는 기술로서 모든 사업에 광범위하게 활용되고 있으며 고령화 및 복지사회의 도래에 따 라 휴먼 인터페이스의 측면에서 볼 때, 고부가가치를 갖는 제품의 개발 이용에 대한 필요성이 증대되고 있다.

 

□ 최근 국내 제조현장의 자동화에 있어서도 생산의 합리화 및 효율화가 많은 발전을 이룩하였으나 연마, 도장, 검사 등 작업자의 고도한 숙련 과 경험이 필요한 생산 공정에 있어 자동화 추진이 어려운 경우가 있 다.

 

□ 또한 이와 같은 생산 공정은 분진, 고온, 다습 등 열악한 작업환경을 갖는 생산현장이 많은 실정으로, 이에 대한 해결책으로 작업자를 생산 현장에서 격리시키도록 하는 원격조작기술을 도입 운영하는 방법이 필 요하며, 국내외적 자동화 및 성력화 기술의 발전추이를 감안할 때 「유 압과 휴먼 인터페이스」 기술의 개발촉진이 이루어지도록 하여야 할 것으로 사료된다.

 

□ 한편, 국내 유․공압 기기는 현재 제어용 마이크로컴퓨터를 중심으로 한 전자기술이 도입되면서 고정도화 및 고품질화가 이루어지고 있으며, 로봇 등 핵심부품으로서 사용이 활발해지고 있다.

 

□ 그러나 유․공압부분에 대한 국내기술 수준은 일본․미국․독일 등 공 업선진국에 비하여 아직 미흡한 실정에 있으며, 유압회로 설계기술을 비롯하여 유압제품의 정밀도에 많은 영향을 미치는 유압펌프, 유압모 터, 유압밸브 등을 비롯한 유압 핵심부품류의 품질 향상이 필요한 것으 로 사료된다.

 

◁전문가 제언▷

 

□ 제조업계를 중심으로 노동환경이 크게 변화되고 노동력의 고학력화 및 고임금추세로 기업으로 하여금 생산 자동화의 실현이 요구되고 있다.

 

□ 현재 우리나라는 중국을 비롯한 신흥 공업국의 산업 발전 가속화에 따 라 국내 제조업의 국제경쟁력이 상실되어 가고 있으므로 후발 공업국 이 쉽게 따라올 수 없는 첨단 산업분야의 육성 개발을 통하여 고부가 가치 및 고품질 첨단산업제품을 생산 판매토록 하여야 하며, 이에 대한 해결방안의 일환으로 메카트로닉스 산업 분야의 육성 발전이 대단히 중요하다.

 

□ 메카트로닉스 기기의 구성은 개념적으로 구분 정리하면 크게 분류하여 기계 본체부, 정보처리 및 소프트웨어부, 센서부, 액추에이터부로 구분 되며, 이와 같이 메카트로닉스(Mechatronics) 산업은 기계, 전자, 정보 처리 기술을 포함하는 첨단 산업분야이다.

 

□ 한편 유․공압 기기분야는 메카트로닉스 기기 분야 중 1개 분야로서 NC공작기계산업, 로봇산업, 광산 및 건설기계산업, 항공우주산업 등과 같은 주요 산업분야에서 제품의 자동화와 휴먼 인터페이스화를 실현시 키기 위한 핵심 분야의 하나로 자리매김하고 있다.

 

□ 유․공압부문에 대한 국내기술수준은 일본, 미국, 독일 등 공업선진국에 비하여 아직 미흡한 실정에 있으며 유압회로 설계기술을 비롯하여 유압 제품의 정밀도에 많은 영향을 미치는 유압펌프, 유압모터, 유압밸브 등 을 비롯한 유압 핵심부품류의 품질 향상이 필요한 것으로 판단된다.

 

□ 제품의 생산성 및 품질향상을 위한 설비 자동화 수준이 현재 대기업의 경우 많은 발전을 이룩하여 생산라인의 자동화 단계에 있으나, 일본, 미국, 독일 등 공업선진국의 초일류 기업에서와 같이 CIM(Computer Integrated Manufacturing)이나 IMS(Intelligent Manufacturing System) 와 같은 첨단 생산 시스템의 개발 적용은 이루어지지 않은 상태에 있 어, 첨단 생산 시스템의 실현을 위한 노력이 지속적으로 추진 전개되어 져야 할 것이다.

 

출처 : 김한영 전문연구위원